전력반도체

신한금융투자의 21년 10월 및 22년 11월 보고서

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전력반도체

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전자기기 내에서 전력을 다루는 역할 : ① 변환과 변압, ② 분배와 제어

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전력반도체는 Discrete(스위치 소자)와 IC(집적회로)로 분류

최종 완제품은 Discrete와 IC 단독 또는 모듈 형태로 탑재

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Discrete는 on-off와 같은 단순 기능을 담당하는 범용적 부품으로, 트랜지스터와 다이오드로 구분된

트랜지스터 제품은 MOSFET과 IGBT가 있고 MOSFET을 대체하기 위해 만들어진 소자가 IGBT다. 

MOSFET은 고속 동작(스위칭)에 적합하나, 고전류ㆍ고전압 제품군에는 사용이 어렵다 

전류 밀도가 높은 IGBT는 고전류와 고전압 상황에서도 적용이 가능하다. 다만 IGBT는 MOSFET 대비 속도가 느리다는 단점이 있어, 현재 각각의 특성에 따라 주요 적용처가 나뉘어 채택되고 있다. 

MOSFET은 저/중전력 가전 고속스 위칭 어플리케이션에, IGBT는 중/대전력 및 고전압 산업용 모터 구동 어플리케 이션에 주로 사용된다. 

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IC는 여러 Discrete 소자를 한 개의 칩 속에 집적한 부품

Discrete와 달리특 정 목적(통신, 제어, 신호변환 등)을 위해 쓰이는 비범용적 특성을 가지고 있다. 

전력반도체 모듈(Discrete+IC) 내에서는 IC가 Discrete를 컨트롤하는 역할을 수행한다. 

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전력반도체의 Value-Chain

 

웨이퍼 공급사

Si(실리콘) 웨이퍼 공급사는 많은 반면 차세대 전력반도체인 SiC 웨이퍼 공급사는 소수

특히 6인치 이상으로 한정하면, Cree, 투식스(Ⅱ-Ⅵ), SiCrystal, SK실트론 등 4개사만이 가능

Cree와 투식스 두 곳이 전체 시장의 70% 이상 점유율 차지

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완제품 제조사

Infineon, Texas Instrument, On Semi, STMicro, Analog Devices 등이 대표 업체들

현재 글로벌 상위 5개사가 전체 시장의 40%를 담당

주요 매출처는 전장용, 산업용 등이다. 향후 전기차향 공급 확대에 따른 전장부문 매출 비중 증가 전망

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성장배경

① 전력효율화에 대한 니즈 증가

② 제품 편의기능 확대 :

③ 친환경 트렌드

④ 4차 산업혁명 가속

전기차, 태양광, 풍력, 서버 등의 어플리케이션에서 전력반도체는 필수 부품

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모터 탑재 제품

모터의 회전 속도를 컨트롤하기 위해 MCU가 인버터에 명령을 전달하고, 인버터가 모터에 공급되는 전력을 제어ㆍ변환한다. 이 때 인버터에 필요한 부품이 전력반도체다. 전력반도 체의 성능에 따라 모터의 전력 손실이 줄어들고, 효율적인 동력 전달이 가능

모터는 전기를 통해 동력을 발생시킨다. 생활/산업용 전기 제품들 대부분에 모터 가 들어간다. 세계 전력의 약 50%가 모터를 돌리기 위해 사용될 정도로 관련 시 장은 광범위하다. 미래의 대표적인 모터 제품은 로봇이 될 예정이다. 로봇청소기, 산업용 로봇 등 빠르게 시장이 확대되고 있다. 로봇은 세밀하게 움직이기 위해 모터 필요량이 갈수록 증가한다. 전력반도체도 필요량도 늘어날 수 밖에 없다

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전기차 내

전장부품 편의시설 증가 : 클러스터, 네비게이션, 블랙박스, 센터페시아

친환경 전력 관련

1) 차량 내 전력 변환 장치(EPCU): 기존 내연기관차와 전기차의 차이는 동력 발 생원이다. 전기차는 배터리를 통해서 전력을 공급받아 모터를 구동시키고 속도를 제어한다. 이 과정에서 배터리는 직류(DC)전기, 모터는 교류(AC)전기이므로 변 환 해주는 인버터가 필요하다. 모터 구동 외에, 전장 시스템을 위해서도 전력 변 환이 필요하다. 배터리는 고전압인 반면, 전장 시스템은 저전압(12V)을 사용한다. 직류-직류간 전압 변환을 해주는 컨버터가 필요하다.

2) 내ㆍ외부 충전장치: 전기차에는 OBC(On Board Charger)가 탑재돼 있다. 완 속 충전시 외부의 직류 전기가 차량 내에 내장돼 있는 OBC를 통해 교류 전기로 바뀌어 충전된다. 급속 충전시에는 외부에서 직류 전기를 교류 전기로 변환한 후 자동차 배터리에 충전하는 방식이다. OBC와 외부 전기차 충전기 모두 전력 변환 을 위한 전력반도체가 탑재된다.

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3) V2G(Vehicle To Grid): 향후에는 전기차가 양방향 충전에 활용될 것으로 예상 된다. 움직이는 ESS로서, 남아있는 전력으로 다른 대상을 충전시키는 역할을 할 수 있다. 이 경우, 교류↔직류 양방향의 전력 변환이 필요하다.

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- 신재생 에너지: 현재 글로벌 신재생 에너지의 대표 방식은 태양광과 풍력이다. 각 국의 정부 주도하에 관련 투자가 진행 중 또는 진행 예정이다. 태양광과 풍력 발전설비에서도 인버터가 탑재되고, 이를 위해 전력반도체가 필요하다

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ESS(Energy Storage System, 에너지 저장장치): 전력 저장에 대한 필요성이 커 지고 있다. 미래의 주력 에너지원이 될 신재생 에너지는 24시간 에너지 생산이 어렵기 때문에, 사용 외에 남는 에너지를 저장하는 것이 중요하다. ESS 내에서 전력 저장(in)과 공급(out) 모두 이뤄지기 때문에, 전력 변환이 발생된다. ESS에도 PCS 인버터가 존재한다.

데이터센터의 서버 전원에 주로 사용된다. 서버 전원은 파워용량이 크고 높은 신 뢰성의 안정적 전원 공급이 요구된다. SiC가 처음 적용되기 시작한 부분이 서버 향이다

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전력반도체의 미래 : SiC vs GaN

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Si는 고전압, 고주파, 고열에 취약, 이런 환경에서 SiC와 GaN 주목

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화합물반도체

두 종류 이상의 원소 화합물로 구성돼 있는 반도체

① 와이드밴드갭(WBG): 밴드갭이란 가전대역과 전도대역의 에너지 준위 차이를 말한다. 외부 에너지에 의해 가전대역에 있는 전자가 전도대역으로 이동할 때 전기가 흐르게 된다. 도체일수록 밴드갭이 얇아, 작은 에너지로도 쉽게 전기가 통 하고 부도체일수록 밴드갭이 넓어, 전기가 통하려면 큰 에너지가 필요하다. SiC와 GaN은 Si 대비 밴드갭이 3배 넓어 고온에서도 반도체 성질이 유지될 수 있다. Si 는 최대 사용온도가 175℃인 반면, SiC는 200℃ 이상에서도 사용 가능하다.

② 높은 절연파괴전계(항복전계): 절연파괴전계란 반도체 성질을 유지할 수 있는 최대 전압을 말한다. Si 대비 SiC와 GaN은 절연파괴전계가 10배 높다. 높은 전압에서도 성능을 발휘할 수 있으며, 동일 전압에서 디바이스 크기를 Si 대비 10 배 축소시킬 수 있다.

③ 높은 열전도도: 고온에서 열이 발생하더라도 열전도도가 높아 적은 에너지로 도 충분히 냉각이 가능하다. 냉각 비용 감소와 더불어 냉각 장치도 줄일 수 있어 공간 활용도도 개선된다.

SiC와 GaN

① SiC: 고전압

Si(실리콘)과 C(카바이드)가 결합된 형태의 화합물 반도체

Si 대비 밴드갭이 3 배 넓고 절연파괴전계가 10배 높아 고전압용으로 적합

현재 전기차, 철도, 에어컨, 태양광 인버터 등에서 사용되고 있으며, 향후 전기차가 핵심 적용처로 전망

② GaN: 고주파

Ga(갈륨)과 N(나이트라이드)가 결합된 형태의 화합물 반도체

GaN 반도체는 Si 또는 SiC, GaN에 GaN을 성장시켜 제조

GaN은 온-저항이 낮고 입/출력 Capacitance가 낮아 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 또한 스위칭 속도(동작 속도)도 빠르기 때문에 고주파 환경에서 동작이 가능

SiC와 마찬가지로 밴드 갭이 3배 넓고 절연파괴전계가 10배 높아 고전압 환경에서도 적합하다. 다만 아직 고내압 구현에는 어려움이 있어 현재는 고주파용으로 주로 사용되고 있다.

5G RF, 무선 충전기 등에서 주로 사용되고 있으며, 향후 라이다 센서, 고속 충전 등을 중심으로 채택이 확대될 것으로 전망된다. 고속 충전은 모바일 기기 뿐만 아니라 전기차 등에서도 필수적인 역할을 할 예정이다.

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최근 SiC, GaN 채택현황

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가전

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전기차

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전기차 충전기

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신재생에너지, 서버

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SiC 전력반도체 시장규모 전

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전력반도체 Value Chain

웨이퍼

① 잉곳의 변화

Si 전력반도체에 사용되는 웨이퍼는 Si 기반의 잉곳에서 만들어졌다. 그러나 SiC 웨이퍼는 동일한 Si 기반의 잉곳에서 만들어지지 않는다. Si와 C(탄소) 물질을 녹 여 결합해 만든 잉곳에서 추출한다. 기존 Si 잉곳 제작과는 다른 새로운 기술이 필요하며, Si와 마찬가지로 SiC 관련 기술은 국가에서 보호하고 있는 기술이다. 새로운 제조사가 진입하기 위해서는 해당 기술을 새로 확보해야한다.

② Value-Chain 세분화

전력반도체를 포함한 비메모리 칩은 메모리와 달리 사용하는 순수 웨이퍼 형태 로 사용되지 않는다. 순수 웨이퍼 위에 Epi 층을 씌운 웨이퍼가 사용된다. 기존 Si 대비 SiCㆍGaN에서 향후 Epi 관련 공정의 중요도가 확대될 전망이다. 이와 함께 Epi 공정만을 따로 담당하는 Epi 전문 하우스 Value-Chain이 이전대비 확 대될 가능성이 높다.

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Epi Value-Chain 확대 

기존 Si 웨이퍼는 반도체 성질을 갖추도록 만드는데 추가 과정이 필요하지 않았다. 실리콘 단원소 물질이기 때문에 이온 주입을 통한 도핑농도 조절이 가능하다. 그러나 SiC 웨이퍼는 다르다. SiC는 두개의 원자가 결합된 형태로 결정질 강도가 다이아몬드 수준에 달한다. 이는 이온 주입이 불가능하다는 것을 의미한다. 그래서 SiC 웨이퍼는 반도체 성질을 갖출 수 있도록 외부에 별도의 레이어를 씌워주는 공정이 반드시 필요하다.

SiC 웨이퍼 제조사들은 기본적으로 Epi 공정까지 직접 처리할 수 있다. 다만 비 메모리의 한 종류인 전력반도체는 다품종인 만큼, Epi 공정 역시 적용처별, 고객 사별 커스터마이징이 요구된다. 자원 효율화, 리스크 분배 등의 목적으로 SiC 웨이퍼 제조사들은 Epi 전문 하우스 활용 비중을 확대할 것으로 예상된다. 

더불어 GaN 물질을 다룰 수 있는 기술력을 기반으로 Epi 처리가 가능한 전문 하우스 역시 성장세가 기대

SiC 대비 GaN 반도체는 기술적 난이도가 상대 적으로 좀 더 높다. GaN on GaN 등의 반도체는 아직 이론으로만 확인되나 향후 실제 제품으로 구현을 위해 준비되고 있는 단계다. 시장 개화와 함께 관련 Value-Chain이 부각될 수 있다. 향후 GaN on GaN 등 GaN 반도체의 Epi 기술 및 Value-Chain이 확대되면 전 력반도체 내에서 GaN 반도체의 쓰임새도 확대될 것으로 예상된다. 현재는 SiC 와 GaN 반도체는 적용처가 나뉘고 있으나 물리적 특성이 유사하다는 점을 감안 시 GaN 반도체도 전기차에 사용될 수 있다.

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CHIP

기존 Top-tier 비메모리 업체들의 경쟁력 지속

 

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수직계열화에 집중

- 소수로 제한된 웨이퍼제조사에서 칩으로 수직계열화가 더 유리

- 칩제조사가 웨이퍼까지 확대하는 경우는 ST Microelectronics, Onsemi가 유일